4D可視化理論在核電站管道安裝中的應(yīng)用研究

李鵬

我國(guó)核電發(fā)展形勢(shì)良好，國(guó)內(nèi)核電站數(shù)目較多（如紅沿河、寧德、陽(yáng)江、臺(tái)山、連云港等），這些核電站都建設(shè)在離海距離較近的地區(qū)，這些工程的地理?xiàng)l件較為復(fù)雜，其工程設(shè)計(jì)與決策是一項(xiàng)十分復(fù)雜的工作，需要花費(fèi)大量人力物力，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)是人們長(zhǎng)期以來(lái)追求的目標(biāo)。4D可視化可以大大地彌補(bǔ)目前核電行業(yè)工程管理存在的不足，大大地提高核電工程管理的效率，也能夠?yàn)楣芾碚咦龀龈N合施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的核電管理決策。

核電站的安裝工程是一個(gè)復(fù)雜的、綜合性很強(qiáng)的系統(tǒng)工程，具有工藝系統(tǒng)多、施工技術(shù)復(fù)雜、質(zhì)量控制嚴(yán)、安全等級(jí)高、檢查和實(shí)驗(yàn)手段特殊、核級(jí)設(shè)備和大件吊裝多等特點(diǎn)。核電安裝工藝系統(tǒng)多體現(xiàn)在包括機(jī)械、管道、電氣、儀表、通風(fēng)、保溫等專(zhuān)業(yè)。其中管道專(zhuān)業(yè)涉及到核級(jí)和非核級(jí)的不同規(guī)格管道、閥門(mén)、在線部件和管道支架的現(xiàn)場(chǎng)安裝。將4D可視化技術(shù)與傳統(tǒng)的核電管道安裝管理要素相結(jié)合，建立可視化的核電管道安裝管理平臺(tái)具有重大深遠(yuǎn)的意義。

一、 研究?jī)?nèi)容

目前國(guó)內(nèi)的核電管道安裝，無(wú)論是管道安裝施工過(guò)程中的精細(xì)化管理，還是管道安裝施工過(guò)程的成本計(jì)算，包括施工完成后的完工報(bào)量缺乏直觀依據(jù)的問(wèn)題可以通過(guò)4D可視化技術(shù)得以解決。若現(xiàn)有的核電站管道安裝施工管理模式與4D可視化技術(shù)相結(jié)合，將極大程度地提高核電站管道安裝施工的施工過(guò)程精細(xì)程度，將使管理人員能夠以更加直觀、可視的方式對(duì)核電站的管道安裝施工進(jìn)度進(jìn)行掌控。同時(shí)，也將從一定程度上降低核電站管道安裝施工的成本，提高核電站施工的效益和效率。

針對(duì)國(guó)內(nèi)核電管道安裝存在的不足，我們可以研究基于4D理論的核電站管道安裝管理，在解決這些問(wèn)題的同時(shí)，也可以為下列4D理論在核電站建造的其他專(zhuān)業(yè)應(yīng)用提供參考：

核電站管道安裝4D可視化技術(shù)的基本概念與構(gòu)成體系的研究；

核電站管道安裝施工場(chǎng)地虛擬地形的實(shí)時(shí)可視化技術(shù)的算法研究與具體實(shí)現(xiàn)；

核電站管道安裝施工可視化布置的研究與開(kāi)發(fā)；

核電站管道安裝施工四維動(dòng)態(tài)演示的研究與開(kāi)發(fā)；

核電站管道安裝施工進(jìn)度可視化管理的研究與開(kāi)發(fā)；

核電站管道安裝施工工程信息化可視化查詢的研究與開(kāi)發(fā)；

核電站管道安裝施工圖文資料管理的研究與開(kāi)發(fā)。

二、4D可視化理論與管道安裝概念

（一）4D可視化理論

1、概念界定

4D可視化理論是基于4 Dimension（簡(jiǎn)稱(chēng)4D）模型的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)。4D-CAD作為一種動(dòng)態(tài)的可視化技術(shù)，最早是由斯坦福大學(xué)CIFE（Center for Integrated Facility Engineering）研究中心于一九九六年提出的。4D可視化技術(shù)在為用戶提供可視媒介的同時(shí)，能夠提供一種對(duì)工程項(xiàng)目全壽命周期的進(jìn)度、成本、資源、安全以及運(yùn)維等進(jìn)行優(yōu)化和控制的直觀可視的方法。

2、核電管道安裝

核電站管道安裝的概念。

以國(guó)內(nèi)南方L核電站的常規(guī)島為例，L核電站的常規(guī)島管道安裝共涉及到29個(gè)系統(tǒng)，管道長(zhǎng)度共計(jì)84000余米。L核電站常規(guī)島的管道安裝分大口徑管道和小口徑管道。其中，大口徑管道由法國(guó)知名電力設(shè)備制造企業(yè)ALSTOM設(shè)計(jì)、制造和供貨。管道、管件和支吊架等部件首先在核電預(yù)制廠預(yù)制完成以后，由核電公司現(xiàn)場(chǎng)組合安裝。另外的小口徑管道由核電公司在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)、制作和安裝。

基于4D可視化理論的核電站管道安裝管理系統(tǒng)的總體框架，設(shè)計(jì)時(shí)將兼顧工程管理與決策的實(shí)際需要和4D系統(tǒng)軟件平臺(tái)本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用層次模型法進(jìn)行開(kāi)發(fā)，將模型分為4個(gè)層次，即應(yīng)用層、任務(wù)層、功能層和物理層具體如下：

1、應(yīng)用層： 這一層主要面向用戶，包括用戶界面、問(wèn)題的表達(dá)及問(wèn)題的求解過(guò)程；

2、任務(wù)層： 接受用戶的要求，執(zhí)行一定的操作并向用戶輸出結(jié)果，包括問(wèn)題推理層和適應(yīng)層，用戶可以通過(guò)菜單在任務(wù)層上與系統(tǒng)交互；

3、功能層： 顯示為實(shí)現(xiàn)任務(wù)層應(yīng)有的功能性子系統(tǒng)，包括對(duì)話系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)及其管理系統(tǒng)，模型庫(kù)及其管理系統(tǒng)；

4、 物理層： 指的是計(jì)算機(jī)技術(shù)，主要為系統(tǒng)硬件與軟件。例如，為實(shí)現(xiàn)可視化管理系統(tǒng)部分功能所需要的硬件配置。

（二）、系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)及功能實(shí)現(xiàn)

根據(jù)以上提出的方案，本文設(shè)計(jì)出基于4D可視化理論的核電管道安裝管理的方案設(shè)計(jì)圖，以保障其具有可操作性。

在基于4D可視化理論的核電站管道安裝信息管理系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，將充分利用4D可視化技術(shù)的功能特點(diǎn)，并根據(jù)工程的實(shí)際情況和施工管理的需要，結(jié)合總體框架結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)以下重要功能：

1、原始數(shù)據(jù)采集、貯存和管理；

2、空間信息查詢；

3、工程數(shù)字地形靜態(tài)三維建模與建筑物建模；

4、施工全過(guò)程三維動(dòng)態(tài)演示功能；

5、數(shù)據(jù)輸出與表達(dá)功能。

為實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的功能，數(shù)據(jù)庫(kù)和模型庫(kù)及其管理系統(tǒng)的建立與開(kāi)發(fā)是系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的核心內(nèi)容。

（三）、4D可視化管道安裝管理效果

4D可視化技術(shù)應(yīng)用于管理核電站管道安裝中，將實(shí)現(xiàn)以下效果：

1、管道安裝的成本計(jì)算更加直觀，管道圖紙與三維模型鏈接進(jìn)行計(jì)算。

2、管道安裝施工過(guò)程的管理更加精細(xì)化。

3、為完工保量提供可靠的依據(jù)。

4、管道安裝的管理模式得到提升，管理水平更加科學(xué)。

下圖可以看到4D可視化技術(shù)與核電站管道安裝結(jié)合的效果：

四、結(jié)論和展望

4D可視化理論的概念盡管產(chǎn)生的較早，但是對(duì)基于4D可視化理論的核電站管道安裝管理的應(yīng)用研究，不論是在理論和實(shí)踐上還都處于探索階段。本文通過(guò)對(duì)基于4D可視化理論下的核電站管道安裝管理進(jìn)行應(yīng)用研究，主要做了以下幾方面的工作：

闡述了4D可視化理論的概念，介紹了4D可視化理論的誕生、發(fā)展與前景，對(duì)比分析了4D可視化理論在國(guó)外、國(guó)內(nèi)的應(yīng)用研究水平，對(duì)比分析了4D可視化理論在國(guó)內(nèi)若干行業(yè)的應(yīng)用情況，分析了4D可視化理論在國(guó)內(nèi)各地的核電站建造模式的應(yīng)用前景。

根據(jù)核電站管道安裝管理的特征及現(xiàn)狀，結(jié)合國(guó)內(nèi)目前在建和已并網(wǎng)發(fā)電的核電站對(duì)管道安裝管理的業(yè)務(wù)、范圍進(jìn)行分析研究，該種管理模式可以滿足國(guó)內(nèi)在建的各種核電建造模式下的管道安裝，以此為由，最終探索研究基于4D可視化理論的核電管道安裝管理模式。

根據(jù)核電管道安裝的模式和現(xiàn)狀，建立基于4D可視化理論的核電管道安裝管理模式，制定技術(shù)方案、業(yè)務(wù)流程，并提出通過(guò)信息化手段，實(shí)施系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工作，讓4D可視化技術(shù)在核電站管道安裝管理中發(fā)揮作用，真正落地。

由于4D可視化理論在核電站管道管理的應(yīng)用是一個(gè)比較新的探索，理論和研究方法還不是很成熟。本文在結(jié)合前人的研究成果基礎(chǔ)上，對(duì)基于4D可視化理論在核電建造行業(yè)管道安裝管理問(wèn)題進(jìn)行了一些研究和探討，僅僅提出集中大概方法和相關(guān)措施，并沒(méi)有對(duì)具體應(yīng)用的步驟和推廣方法進(jìn)行深入的研究，可以說(shuō)這只是初步研究。但是就此問(wèn)題的廣度和深度問(wèn)題，本文所作的工作只是其中很小的一部分，深入的研究還有待今后進(jìn)一步展開(kāi)。需要經(jīng)受實(shí)踐工作的檢驗(yàn)，并在實(shí)踐中進(jìn)一步修正和完善。由于水平的限制，本文的研究工作中仍然存在一些需要完善的地方。還需進(jìn)一步在4D可視化技術(shù)的推廣、管道安裝管理模式的統(tǒng)一和其他系統(tǒng)集成等工作方面提升。